《科学》发文:利用这个基因,小麦产量提高
2022-04-10 20:57:00 151阅读 发布地区:

欧宝app日报记者 金凤

小麦是全球分布最为广泛的粮食作物,世界上有超过40%的人口以小麦为主食。提高小麦产量,事关全球粮食安全。

4月10日,欧宝app日报记者从南京农业大学获悉,该校农学院应用植物基因组团队贾海燕教授与美国俄克拉荷马州立大学、中国农业科学院等机构合作,发现并克隆了一个提高小麦籽粒产量的关键基因TaCol-B5,他们同时揭示了该基因产生的蛋白与磷酸化激酶的相互作用,为蛋白质磷酸化可能参与小麦穗形成和籽粒产量提供了示范。该成果近日发表于国际学术期刊《科学》,其配发的评论文章认为,“TaCol-B5的发现是提高谷物产量的一个里程碑,因为它提高了我们对控制株型和产量的分子机制的理解”,“该论文对TaCol-B5的鉴定为挖掘小麦产量潜力提供了一条新途径”。

据介绍,普通小麦的籽粒产量受三个主要因素影响:单位面积的穗数、每穗粒数和粒重。穗数可以通过促进分蘖而增加,每穗粒数分为小穗数和每小穗粒数两个亚组分,增加小穗数是提高粒数但不降低粒重的有效途径。

“上世纪60年代,以降低农作物株高、半矮化育种为特征的第一次‘绿色革命’,使得全世界水稻和小麦产量翻了一番,解决了温饱问题。近年来,虽然小麦新品种迭出,籽粒产量不断提高,但增速相对缓慢。”论文共同第一作者贾海燕告诉欧宝app日报记者。

如何找到基因提高小麦产量,激发着学者们的研究兴趣。“最初,我们发现小麦‘CItr17600’的粒数较多,就想把控制这一表型的基因克隆出来,但这需要先‘锁定’对应的基因组区域,然后再验证候选基因是否决定了它的高产。”2018年贾海燕在美国俄克拉荷马州立大学做访问学者时,便与研究者们去田间调查小麦小穗节数和穗粒数,然后再回实验室做分析。

科研人员对小麦TaCol-B5基因的克隆和功能验证。 贾海燕供图

研究人员先利用CItr17600和扬麦18的F2:3家系,将一个控制每穗小穗节数的主效数量性状基因定位在7B染色体上,接着通过重组体表型和基因型分析和双亲序列比对,确定TaCol-B5为候选基因。

随后,他们从CItr17600中克隆了TaCol-B5的cDNA,将其转化到扬麦18中,表型分析发现在转基因的不同后代都显著提高了穗数、每穗小穗节数及其粒数,从而证实TaCol-B5为提高产量的关键基因。

TaCol-B5基因为何能提高籽粒产量?“我们在对比单倍型基因产物序列时发现,高产TaCol-B5与低产TaCol-B5蛋白之间有3个氨基酸存在差异,于是设想这三个不同的氨基酸,是否影响与其他蛋白的相互作用,继而影响了籽粒产量。”贾海燕介绍。

经实验,研究者发现高产单倍型TaCol-B5的第269位的丝氨酸被甘氨酸取代后,影响了该蛋白与磷酸化激酶TaK4的互作。

“研究表明,该氨基酸的替换影响了TaK4对TaCol-B5/TaCol-B5的磷酸化,而在以往的研究中还没有发现蛋白磷酸化与作物籽粒产量的关系。”论文的共同第一作者、中国农科院作物所李甜副研究员说。

值得关注的是,研究人员发现克隆的高产小麦等位基因TaCol-B5存在古老的四倍体的二粒小麦中,但在全球现代小麦品种中极为罕见。来自全球各地的1657份小麦种质,仅有33份小麦种质携带这一优良基因,在检测的346中国小麦品种中,只有四个品种拥有这一高产基因。

“这可能与小麦矮化育种有关,因为现代的理想株型普遍较矮,TaCol-B5在选择育种过程中丢失了。利用这一基因虽然增加了株高,但可以实现产量的突破。”贾海燕分析。

责任编辑: 孙莹